耳式支座处筒体的局部应力计算探讨

晏彦忠

（湖南化工设计院有限公司，湖南长沙 410021）

耳式支座（以下简称“耳座”）作为立式容器常用的一种支撑方式，容器设计时通常选用NB/T 47065.3—2018[1]中的标准耳座，为了防止容器因设置耳座而引起强度失效，一是要求耳座承受的实际载荷小于等于耳座本体的允许载荷，NB/T 47065.3—2018附录A 给出了耳座实际承受载荷的计算方法，二是要求耳座处筒体的局部应力在允许的范围内，本文主要讨论耳座处筒体局部应力的计算问题。

对于承受内压的带垫板的耳座，JB/T 4712.3—2007附录B给出了容器本体材料许用应力为[σ] =110 MPa、130 MPa、150 MPa、170 MPa的圆筒形壳体，计算压力为p= 0.0 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa时，在安装耳座后，由其局部应力限定的耳座许用弯矩值[ML]，当为其他许用应力和其他有效厚度时可采用线性内插的方法确定[ML]。

JB/T 4712.3—2007标准释义给出了由容器圆筒限定的耳座许用弯矩计算的详细过程，在耳座处圆筒内的应力主要是由容器的内压和耳座外弯矩引起的。

由压力引起的一次总体薄膜应力pm按以下公式计算：

由耳座弯矩引起的局部应力按照AD 2000-Merkblatt S3/4[3]中的方法进行计算，该方法认为最大应力出现在A、B两点的内壁或外壁，如图1所示。

图1 带耳座的圆筒形容器

各应力值按下列公式计算：

由耳座弯矩引起的一次局部薄膜应力pL:

由耳座弯矩引起的一次局部弯曲应力pb:

以上符号的含义及计算详见JB/T 4712.3—2007和AD 2000-Merkblatt S3/4。

根据应力分类的方法，对这些应力的组合按照以下原则进行限制：

(1)pm≤[σ];

(2)pL≤1.5[σ];

(3)pL+pb≤1.5[σ]。

根据上述方法，通过自动迭代计算，JB/T 4712.3—2007附录B给出了各种型号耳座在不同的筒体有效厚度和不同压力下的耳座允许外弯矩。

对于承受内压的带垫板的耳座，NB/T 47065.3—2018附录B给出了容器本体材料许用应力为[σ] =120 MPa、140 MPa、167 MPa、185 MPa时的圆筒形壳体，计算压力为p= 0.0 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa时，在安装耳座后，由其局部应力限定的耳座许用弯矩值[ML]，当为其他许用应力和其他有效厚度时可采用线性内插的方法确定[ML]，当为其他压力等级的工况，需由设计人员按实际的计算弯矩，对壳体强度进行核算，容器实际的计算压力通常不是以上4种情况，这使得许用弯矩表的使用范围就很小，但耳座标准并未给出强度校核的详细方法。

NB/T 47065.3—2018编制说明给出了附录B由容器圆筒限定的耳座许用外弯矩的计算方法，该方法参照AD 2000—Merkblatt，根据应力的组合和评判方法，可以确定出σ=f(ML)的函数关系，通过计算程序的迭代计算出满足要求的ML的最大值。

AD 2000—Merkblatt规范中耳座处筒体局部应力的计算方法主要参照WRC 107[4]（(1979版），并考虑了压力载荷的影响，由于沿圆筒轴向横剪力Q在A、B点不会产生剪应力，可以不考虑横剪力Q的影响。WRC 107是美国焊接研究委员会发布的应用最广泛的公报之一，主要用来解决外载荷通过实心附件对球壳和圆筒引起的局部应力计算问题，没有考虑压力载荷的影响，WRC 107第一版发布于1965年，其后分别于1968年、1970年、1972年、1979年、2002年发布了修订版，并在其中增加了一些补充和说明，2010年WRC发布了WRC 537[5]公报，WRC 537替代了WRC 107，但WRC 537中的计算方法与WRC 107中的计算方法并无根本变化，只是对计算中所用的部分曲线作了外延或少量修正，并给出了曲线的精确方程。耳座局部应力WRC 107计算模型如图2所示。

图2 耳座局部应力WRC 107计算模型

过程设备强度计算软件SW6零部件计算程序中柱壳上矩形附件局部应力计算模块适用柱壳上矩形附件承受外载荷对壳体产生的局部应力计算，其计算依据为HG/T 20582—2020[6]第19章外载荷对圆筒引起的局部应力的计算和WRC 537公报，并考虑了压力载荷的影响。

通过对以上各种方法的介绍可以知道，NB/T 47065.3—2018、AD 2000-Merkblatt S3/4、HG/T 20582—2020、WRC 537、SW6中的计算方法均来源于WRC 107,各种方法的计算原理是相同的。由于WRC 107的计算过程是十分复杂和麻烦的，需要查阅大量的表格和曲线来进行计算，对于无法通过NB/T 47065.3—2018附录B确定筒体许用弯矩的情况，使用SW6就可以高效地对耳座处筒体的进行局部应力进行计算。

为了验证使用SW6进行筒体局部应力计算的可行性，以筒体直径1000 mm、有效厚度8 mm、B4型耳座的几何模型为例，分别以JB/T 4712.3—2007（筒体材料许用应力130 MPa）、NB/T 47065.3—2018（筒体材料许用应力120 MPa）附录B表中给定的计算压力和耳座弯矩数据输入SW6中进行局部应力计算，得到的应力计算结果如表1和表2所示。其中SW6中矩形附件截面边长C1、C2分别输入耳座垫板的高度315 mm、宽度250 mm。JB/T 4712.3—2007、NB/T 47065.3—2018中的应力计算结果可以根据标准计算方法反算出为材料许用应力的1.5倍，分别为195 MPa、180 MPa。

表1 SW6与JB/T 4712.3—2007应力计算结果对比/MPa

表2 SW6与NB/T 47065.3—2018应力计算结果对比/MPa

1）新版耳座标准NB/T 47065.3—2018与老版耳座标准JB/T 4712.3—2007相比，附录表中给出的许用弯矩有所增大。

2）SW6应力计算结果与JB/T 4712.3—2007相比偏差较小、与NB/T 47065.3—2018相比偏差较大，且计算结果均大于耳座标准中的结果，计算结果比耳座标准偏保守。

3）当容器设计参数超出NB/T 47065.3—2018附录B的范围时，可以使用SW6来计算耳座处筒体的局部应力，计算时首先通过SW6立式容器计算程序中的耳座计算程序得到耳座计算弯矩，然后通过零部件计算程序中的柱壳上矩形附件局部应力计算程序计算筒体局部应力，其中矩形附件截面边长C1、C2分别输入耳座垫板的高度和宽度，绕Y轴弯矩输入耳座计算程序得到的耳座计算弯矩。

4）WRC 107只给出了局部应力计算方法，并未给出应力限制条件，使用时应根据应力产生的原因及性质加以分类并进行限制，JB/T 4712.3—2007、NB/T 47065.3—2018认为耳座弯矩产生的应力为局部薄膜应力和一次弯曲应力，要求局部薄膜应力加一次弯曲应力限制在1.5倍材料许用应力范围内，而SW6中将最大表面应力限制在3倍材料许用应力范围内，使用时应特别注意。

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